LF精炼渣脱硫能力优化与循环利用

LF精炼渣脱硫能力优化与循环利用（汪衍军西安建筑科技大学冶金工程学院）摘要：LF钢包精炼炉是冶炼优质钢常用的精炼设备，它通过电弧加热、造还原精炼渣和底吹氩搅拌等方法，为快速脱氧、脱硫、均匀钢水温度、成分并去除钢液中有害夹杂物提供了有效的精炼手段，在纯净钢冶炼方面发挥了巨大作用。LF精炼炉优化了转炉和连铸之间的工艺衔接而且加快了生产节奏，随着对纯净钢需求的不断增加，用LF炉对钢液进行脱硫操作已成为大多数钢厂普遍采用的工艺方法，于是优化精炼渣系和各种工艺因素便成为生产和研究中的重点内容。同时，LF精炼废渣带来的堆放占地和环境污染日益突出等问题，开展精炼废渣资源循环利用的研究对于环境保护和钢铁企业的节能减排具有重要意义。结合国内外学者对脱除LF精炼渣中硫进行的大量研究，促进了LF精炼渣综合利用，对实现节能减排有重要的意义。关键词：LF精炼渣；脱硫；综合利用OptimizationandCyclicUtilizationofLFRefiningSlagDesulfurizationCapacity（WangYanjunXi’anUniversityofArchitectureandTechnologyMetallurgicalEngineering）ABSTRACT：LFladlerefiningfurnacesmeltinghigh-qualitysteelusedintherefiningequipment,whichbyarcheating,causingreductionrefiningslagandbottomargonstirringmethodsforrapiddeoxidation,desulfurization,uniformsteeltemperature,compositionandremovingtheliquidsteelharmfulinclusionsprovidedaneffectivemeansofrefining,smeltingsteelinpureplaysasignificantrole.LFrefiningfurnacetooptimizetheprocessofconvergencebetweentheconverterandcontinuouscastingandspeedupthepaceofproduction,Withtheincreasingdemandforcleansteel,withLFfurnaceofmoltensteeldesulfurizationprocessoperationhasbecomeawidelyusedmethodformostmillssotooptimizerefiningslagandvarioustechnologicalfactorsofproductionandresearchhasbecomethefocusofthecontent.Atthesametime,theLFslagstackingareaandenvironmentalpollutionhavebecomeincreasinglyprominentproblems,tocarryoutresearchonrefiningresourcesrecyclingwastehasimportantsignificanceforenvironmentalprotectionandenergysavingandemissionreductionofironandsteelenterprises.BasedonalargeamountofsulphurintheslagofthedomesticandforeignscholarsontheremovalofLFrefining,promotethecomprehensiveutilizationofLFrefiningslag,havetheimportantsignificancefortherealizationofenergysavingandemissionreduction.Keywords：LFrefiningslag，desulfurization，cyclicutilization1前言1.1硫的主要危害硫能引起热脆。热脆是钢的表面和内部断裂现象，随着温度的降低，硫通过两种途径析出。第一种是在γ-Fe的晶界表面上以FeS形式析出，第二种是在γ-Fe晶内部以。FeS弥散相析出。FeS的熔点为1190℃，而且在900-1200℃的温度范围内，还会形成低熔点的共晶体，这种低熔点的共晶体是应力集中点，这样，硫在铁中作用导致钢的热脆性。γ-Fe晶界表面上形成低熔点相，但是硫在固溶体中以各种硫化物析出，从而产生晶内应力集中，这加强晶界表面上的裂纹倾向。除对钢材的热加工性能、焊接性能、抗腐蚀性能有较大影响外，对力学性能也有影响，而且会显著降低钢材的抗氢致裂纹（HIC）的能力。近年来开发出的一些高性能洁净钢，如管线钢、取向硅钢、汽车面板等，w（S）都要求控制在50×10－６甚至更低的水平。为此，通过优化LF工艺，提高精炼过程脱硫能力，可实现低硫钢的稳定生产。LF精炼是脱硫的最有效工艺，可以达到深脱硫的目的，在铁水预处理—转炉—LF炉工艺过程中钢水硫的含量可以控制在10×10－6~20×10－6，好的可以控制到10×10－6以下。因此，研究LF脱硫精炼渣对炼钢工艺的发展具有重要意义。1.2脱硫的主要标准目前，世界上许多大型钢铁企业都在努力提高自己钢材产品质量，其中大部分通过降低钢中杂质含量特别是硫含量的途径来实现的。欧洲生产的钢材产品中大批量ω[S]≤0.02%，小批量ω[S]≤0.01%，少数特别优质钢ω[S]≤0.005%。在1994~1995年度时，欧洲70%的钢材ω[S]≤0.015%，50%的钢材ω[S]≤0.01%，28%的钢材ω[S]≤0.005，10%的钢材ω[S]≤0.002%。我国生铁产品质量与国外工业发达国家相比，还有很大差距，生铁一级品的质量标准保持在ω[S]≤0.03%，但即使铁水硫含量达到一级品的质量标准，对转炉炼钢来说还是偏高，炼钢过程中还要不断经过脱硫处理，这导致炼钢时渣量大、冶炼周期长、炼钢工序产量低、消耗高。1.3LF炉（钢包精炼炉）LF(LadleFurnace)是1970年在日本首先发展起来的钢包型精炼炉外设备。在70年代初期，日本大同特殊钢公司的大森厂，研究人员自己总结和消化ASEA一SKF、VOD和VAD等精炼技术方法的基础上，开发研究了LF精炼法。LF精炼法的应用和发展极大地推动了新工艺研究开发和新钢种的生产需要，促进了世界上钢铁工业的发展和炉外精炼技术的很大进步。虽然LF设备结构比较简单和技术容易掌握，但它拥有许多有效的炉外精炼方法，例如合成渣应用处理、合金成分调整、加热和搅拌等。LF具有氩气搅拌、保持炉内还原气氛和合成渣精炼等独特的精炼功能，不但可以为连铸稳定持续的提供温度成分准确均匀钢水和协调缓和转炉或电炉炼钢与连铸节奏，还可开发特殊合金含量较高的新钢种。其中LF合成渣精炼可以更好完成脱硫、脱氧、去除有害夹杂物的作用。1.4影响LF脱硫的主要因素a.炉渣成分：炉渣碱度的和CaO含量；Al2O3含量；SiO2的含量；CaF2的含量；MgO含量；BaO的含量；不稳定氧化物；b.炉渣物理性质：炉渣黏度和其他物理性质；炉渣熔化温度；c.冶炼工艺条件：LF操作温度；渣量；钢中全氧量；底部吹氩搅拌；总的来说，由于炉渣成分、物理性质、冶炼工艺条件等在一定程度上影响了脱硫过程过程热力学和反应动力学。导致LF精炼时石灰消耗量过大且不稳定，且由于氩气流量控制未经优化，渣中氧化铁含量偏高且不稳定等。本文通过对生产现场收集到的大量原始数据进行计算、分析。力求找出各工艺因素对脱硫影响的特征，得出优化结果、稳定脱硫工艺。1.5LF精炼产生大量固废LF精炼工艺可以冶炼出优质的低硫钢，然而随着我国LF精炼工艺的快速发展，每年产生的LF精炼废渣大约为1500万t，LF精炼废渣中含有大量的CaO，SiO2，Al2O3和MgO等物质，这些组分和冶金生产中使用的部分原料成分相近。如果这些有效组分可以加以利用，不但能够提高LF精炼废渣的循环利用率，还可以节约资源、缩短冶炼时间。目前，大多数钢铁企业选择将精炼废渣和普通转炉渣混在一起，用于铺路和生产水泥，该方式利用价值低，造成了资源的浪费。同高炉渣和转炉渣相比，精炼渣的利用率较低，LF精炼渣的碱度高、硬度大，不能像转炉钢渣那样可以回收含铁的原料;且由于渣中CaO活性较高和自由CaO的水化活性较低等原因，容易引起LF精炼渣的体积膨胀，所以不能大量用于建筑材料和水泥的生产。研究表明，LF精炼后的废渣仍具有一定的硫容量，而实践证明，只有当废渣的硫容量小于0.02时，废渣才表现出脱硫速率较慢的现象。针对LF精炼渣循环利用出现的很多问题，有必要进一步开展LF精炼渣的高效循环利用研究。LF固态精炼炉弃渣在结晶凝固过程中形成不同的矿物组织、将其中的有益部分用于炼钢生产，是规模化利用LF精炼炉弃渣潜在价值的有效途径。2精炼渣系综述2.1目前常用的精炼渣渣系迄今为止，人们已经研究了很多种精炼渣渣系，其中应用最为广泛的要数Ca0基合成渣，这是由于Ca0自身具有很强的脱硫能力，而且其原料非常丰富，价格低廉。Ca0基渣系有以下几种：a.Ca0-CaF2渣系Ca0-CaF2渣系在1500℃下的硫容量可以高达0.03，具有很强的脱氧、脱硫能力，其硫容量在二元渣系中是最高的。在Ca0-CaF2渣系中，CaF2的主要作用是改善渣的流动性，降低渣的熔点，增大脱硫产物的扩散速度，改善脱硫动力学条件。成渣中Ca0与CaF2的比例要适当，比值若过高，则渣中Ca0含量较高，使合成渣熔点过高，流动性较差，从而影响精炼效果；比值过低，则渣中CaF2含量较高，对Ca0起了稀释作用，不利于脱硫。但是由于在这种渣系中CaF2含量相对较高，对炉衬侵蚀严重，同时这种渣系粘度较小，不利于埋弧操作，导致电弧对包衬的辐射侵蚀。此外CaF2还会与渣中其它组元反应，生成含氟气体对污染环境。b.Ca0-A1203-CaF2渣系OguchS等人测定了Ca0-A1203-CaF2渣系在1550℃时的硫含量，结果表明，渣中的硫含量主要取决于Ca0/A1203的大小，而CaF2含量对其影响很小。当Ca0/A1203的比值增加，lgKs(渣中硫含量)显著增加。由于原料中不可避免会带入部分Si02，因而Cad-Al203-CaF2渣系实际上为Ca0-A1203-CaF2-Si02四元渣系。对该渣系进行研究后得出w(Ca0)/w(Si02)大于0.15后，脱硫效果比较理想。c.Ca0-A1203-Mg0-Si02渣系Ca0-Si02-Mg0-A1203渣系是当前应用最为广泛也最常见的精炼渣系。实验研究表明当R3.0时，随着碱度增加，LS随之增加，而当R3.0时，若再继续增加碱度R反而下降。提高渣中Ca0的含量，可以显著降低钢中的硫含量，但当(Ca0%)60%后，由于Ca0含量过高，增大了炉渣粘度，使流动性变差，脱硫效果反而会降低，不利于脱硫。d.Ca0-A1203渣系Ca0-A1203渣系实际上是Ca0-A1203-Si02渣系，也具有很强的脱氧、脱硫能力。实验结果表明，随着Ca0/A1203值增大CaS的饱和溶解度也随着增大。Ca0-Al203脱硫渣的成本昂贵，为了降低成本，前苏联研究了用石灰石—粘土砖或者石灰高岭土渣代替CaO-A1203合成渣，并进行了相关的工业实验。结果表明，用石灰石—粘土砖渣洗的钢与用Ca0-A1203渣洗的钢相比，脱硫率都在50%-70%左右，高的可达80%。该渣系吸收夹杂能力强，不含氟，适应环保的要求。文献表明，该渣系的脱硫率可以维持在70%以上，同时也可以应用于超低硫钢的冶炼。多用于铝镇静钢，取代CaO-CaF2渣系，可减弱高含量CaF2的危害；维持较高的CaO/Al2O3对也能具有良好的脱硫能力，研究认